海洋岩土工程讲座

——裙式吸力锚基础海洋岩土工程提纲海上风电开发的意义及必要性海上风电缺陷海上风电基础型式裙式吸力锚基础的沉贯及试验研究一、开发海上风电的时代背景和意义随着全球能源危机、环境污染和温室效应日益加重，越来越多的国家重视开发、利用可再生能源和清洁能源。因此，在当前形势下，风能作为最清洁能源的一个选择，受到世界普遍重视，风能工程立项和建设逐年攀升，攀升速度已超过了其它传统能源（如火电、水电等）。我国是一个风能利用大国，2008年已位居世界第四位，但与其它电力来源相比，风能仍占较小比例。由此看，我国的节能减排任重道远，大力发展风能的空间仍很大。我国计划2020年前，20%的能源来自可再生能源，其中风电将达到100GW，中国将成为世界可再生能源利用的巨大市场。0.8%1.3%21.6%76.3%火电水电核电风电我国2008年电力装机分布海上风能开发和利用比陆地具有更多优势：资源比陆地丰富，风速高，风力持久；很少有静风期，有效地利用风电机组的发电容量；不需要很高的塔架，可降低风电机组的成本；零排放、无视觉、噪音等污染以及不占用陆地。目前，我国风能主要以陆地风能为主，全国各省都有风电场分布。并且我国是一个海上风力资源丰富的国家，尤其黄海和东海属于浅海风场资源，利于建设海上风场。我国海上风力发电虽起步较晚，但发展快。第一个海上1.5MW试验风机由中海油公司2007年安装在渤海东北部的辽宁湾（图1）；第一个海上风场—上海东海大桥风场由34台3MW风电机组成，采用钢管桩基础（图2），2010年向上海世博会供电；世界单体最大的海上风电场将在江苏东台开建，拟选用3.6MW的84台风机组成；山东威海也将建投资210亿元、年发电量25亿kWh的海上风电场；另外，我国在渤海、黄海、东海和海南省等海域也规划建立多处风力发电厂。这对解决我国能源危机问题和CO2减排将起到重大作用。Fig.1中国第一海上风电Fig.2上海东海大桥风场海上风场风电组成叶片塔架Theworld'sfirstfull-scalefloatingwindturbineisonstream.Hywindisanchored10kilometresoffKarmøy,insouthwesternNorway.FACTSTurbinesize:2.3MWTurbineweight:138tonsTurbineheight:65mRotordiameter:82.4mDrafthull:100mDisplacement:5300m3Diameteratwaterline:6mDiametersubmergedbody:8.3mWaterdepths:120-700mMooring:3lines从工程角度看，主要表现在：基础费用高，占到总造价的20%左右；电网接入集成成本高；安装成本高，安装过程受天气环境的制约；运行、维护实施困难，导致机组可利用率下降，影响发电量。要弥补这些不足，海上风电重要的发展方向是，开发利用超大功率的风电机组，目前国外应用的最大功率机组为5MW，世界发达国家也正在二、海上风电缺点研发10MW～20MW的发电机组，叶轮直径将达到250m左右，预计2020年实现。当前我国海上最大风电机组为3MW，在工程实践和理论研究技术支持等方面都落后于世界发达国家，急需大规模投入研发超大功率风电机组及开展相关配套工程的科研工作。三、基础型式Fig.4基础型式重力式基础（图4(a)）一般用于10m水深以内，采用岸上预制钢筋混凝土制作，漂浮海上用拖船拉到指定位置，填充砂、石沉落到海床上的施工方法。单桩基础（图4(b)）采用了直径2.1～3.5m的大直径钻孔灌注桩和大直径4.0～5.1m的打入式钢桩，有的长度达到了45m。海上重力式基础和桩基施工，需要大型的施工设备和驳船，并且施工过程中受风浪影响较大，整体基础施工造价不菲，并且此类基础一般不能重复利用和移动。为了降低桩径和桩长，又发展了群桩基础，一般采用3根或4根基桩（图4(d)）。为了克服重力式基础和桩式基础施工复杂，不能重复利用和移动的缺陷，扩展了传统吸力锚基础的应用范围，提出了类似单桩或群桩的单筒或多筒式吸力锚基础（图4(c)、(e)），应用于海上风力发电工程中。作为海上风电工程的基础部位是整个工程的重要组成部分，目前普遍采用的基础形式为：重力式基础、桩基础和吸力锚基础。荷载特性风载、波浪、潮流、冰和地震等动力循环作用。水平动力循环荷载和弯矩为主。吸力基础的沉贯控制地基土循环荷载作用下承载性能实验室土性测试：考虑风载、波浪、潮流、冰和地震等动力循环作用。动力循环三轴试验仪器裙式吸力基础的研发传统吸力锚基础(a)用于锚固(b)用于塔架传统吸力锚基础裙式吸力锚基础实用新型专利（ZL2009202399.8）四、裙式吸力锚基础的沉贯研究（沉贯机理）裙式吸力锚基础沉贯过程可分为两个阶段（自重、吸力作用下沉贯）自重作用下沉贯海床lh3h2h1DiDotzV'沉贯示意图自重作用下沉贯计算'tanviiKDdz'2/4viD''2/4vvidD'2/4iDdz主桶内土体受力分析''2'2'2'/4/4/4tanviviiiviiviiidDDdzDKDdz竖向力系平衡条件取吸力基础内部土体为隔离体(如右图)''2'2''exp1tanexp1tanoooooiiiiivoqhhVZKDZZhhZKDZZNNtDt自重作用下沉贯计算等式右侧第一项为吸力基础主桶外壁侧向阻力；第二项为主桶内壁侧向阻力；第三项为主桶端部阻力。自重作用下，竖直方向力的平衡公式沉贯机理吸力作用下沉贯ztDoDih1h2h3l海床V'情况①下的沉贯吸力沉贯阻力不仅要考虑重力影响，还要考虑到吸力作用，并且此阶段分为两个部分：①沉贯深度在zh1+h2范围内吸力作用下沉贯计算222exp1tan41exp1tan1exp1ioooOOiiiiiiqiDashhVsZKDhZZashhZKDhZZashZNtNDthZ等号左边是吸力和有效自重之和，右边是基础的侧摩阻力和端阻力之和；S为吸力(kPa)；a为与基础端部超孔隙水压力有关的系数吸力作用下沉贯计算②沉贯深度在h1+h2zh1+h2+h3范围内海床lh3h2h1DiDotzV'DsiDso情况②下的沉贯此阶段是发生在裙范围内的沉贯，因此裙式吸力基础的阻力要在上述①沉贯的基础上附加裙内外壁的摩阻力和端阻力。f为吸力作用下沉贯计算222exp1tan41exp1tan1exp1ioooOOiiiiiiqiDashhVsZKDhZZashhZKDhZZashZNtNDthZf'2'2'exp1tanexp1tan1/2osooooisiiiivoqhhfZKDZZhhZKDZZNNtDt式中：沉贯模型试验(a)智能真空泵(b)储水桶(c)数据采集系统(d)量测设备固定支架沉贯试验过程(a)自重下的沉贯(b)主桶范围的负压沉贯(c)裙开始接触基础(d)裙范围的负压沉贯形成的土塞024681012142468101214贯入深度/cm吸力/kPa沉贯吸力和沉贯深度的关系曲线谢谢大家！